«У всех разные представления о том, что такое настоящий киберпанк, но в мое это вполне укладывается»  Зачем ученые из России выращивают в Калифорнии миниатюрные копии человеческого мозга и при чем тут машинное обучение

Недавно ученые из Университета Дюссельдорфа рассказали о первом опыте выращивания в пробирке миниатюрной копии человеческого мозга, оснащенной примитивными глазами. Задача эксперимента пока ограничивалась демонстрацией самой его возможности, но вообще говоря «минимозги» за последние годы стали одной из самых модных и интригующих тем в самом практическом плане — для поиска новых лекарств. Таких, например, как болезнь Альцгеймера или шизофрения. Считается, органоиды могут прийти на смену мышам и другим животным, на которых воспроизвести «слишком человеческие» заболевания до сих пор не удавалось. О том, что полезного могут дать довольно странные эксперименты с «мозгами в пробирке», рассказал «Медузе» Алексей Рогожников, сотрудник калифорнийского стартапа Herophilus, который пришел в биотех не из биологии, а из Школы анализа данных «Яндекса» и занимается в стартапе разработкой методов машинного обучения. Алексей рассказал научному редактору «Медузы» Александру Ершову о том, что общего между данными коллайдеров ЦЕРН и активностью нейронов органоидов, и о том, сможет ли миниатюрный мозг-в-пробирке побить рекорды IQ.

«Мы хотим получить наиболее точную из всех возможных модель того, что происходит в голове человека»

— То, чем вы занимаетесь, для меня звучит как образцовый пример «настоящего киберпанка». Вы создаете технологии машинного обучения, чтобы с их помощью исследовать выращенные в пробирке миниатюрные копии человеческого мозга, чтобы на них испытывать лекарства от таких заболеваний как болезнь Альцгеймера — и все это не в рамках академической науки, а в формате коммерческого стартапа в Калифорнии. Все так, я нигде не ошибся?

— Нет, все абсолютно точно, и насчет киберпанка, наверное, тоже. У всех, конечно, разные представления о том, что такое настоящий киберпанк, но в мое это вполне укладывается.

— Хорошо, тогда давайте попробуем разобрать все с самого начала. О чем все-таки идет речь? Что такое человеческие органоиды, которые вы выращиваете? Их, насколько я понимаю, еще называют mini-brains, «мини-мозги». Но что это и зачем они нужны?

— Органоид — это довольно общий термин, который по какой-то причине обычно используется именно для описания церебральных органоидов, то есть моделей головного мозга. Но вообще говоря органоиды можно выращивать, например, и для легких, и для почек, — для любых сложных тканей.

С одной стороны, «мини-мозг» это действительно самое близкое короткое словосочетание, которое я могу подобрать для описания того, что мы выращиваем. Но с другой — это тоже не вполне правда, ведь мы не пытаемся смоделировать полноценный мозг, вместо этого церебральные органоиды обычно нацеливаются на какую-то конкретную часть головного мозга.

Но в общем да, мы действительно хотим получить наиболее точную из всех возможных модель того, что происходит в голове человека. Включая и его генетические особенности, и тот клеточный репертуар, который в норме можно встретить в живом организме. Эта модель будет наиболее точно повторять генетику конкретного человека, потому что она будет основана на его генетических данных. Мы можем взять, например мои клетки, твои клетки, или клетки человека, который заболел Альцгеймером в раннем возрасте, и именно из этих клеток создать органоид. Тогда у нас появляется некоторое понимание того, какое поведение мы можем ожидать от получившейся системы в пробирке.

Что касается того, зачем это нужно… Скажем честно, открытие новых лекарств именно в нейронауках сильно затормозилось, и один из вероятных факторов — это то, что у нас не было до сих пор какой-то адекватной модели в пробирке для исследования того, что происходит в голове. К сожалению, посмотреть в голову к человеку, не навредив ему, мы не можем.

— Использование для разработки лекарств каких-то моделей, каких-то заменителей человека, — вообще не новость, есть ведь лабораторные животные. Но, насколько я знаю, именно в нейронауках с этими моделями возникает самая большая проблема: насколько то, что ты наблюдаешь в поведении животного, соответствует тому, что ты собираешься лечить у человека? Очень сложно сделать мышиную модель, скажем, шизофрении. Кажется, ровно та же проблема касается и органоидов. Вот болезнь Альцгеймера, например, связана с потерей памяти, но память — это свойство человека. Как можно тестировать лекарство, которое борется с болезнью Альцгеймера, на мини-мозгах, у которых вроде бы никакой памяти нет?

— Когда люди говорят про болезнь, они в первую очередь имеют в виду наблюдаемую симптоматику, то есть то, что проявляется в поведении. У органоидов, очевидно, поведения нет, поэтому нам приходится «мапить» одно на другое, то есть искать соответствие видимых изменений в модели с клинической картиной у человека. Например, в случае болезни Альцгеймера это, в первую очередь, амилоидные бляшки, соотношение «правильных» и «неправильных» амилоидов, которое видно на химическом уровне. Если же для другого заболевания известно, что патология проявляется на уровне измененной нервной активности, то как раз органоиды в этом плане сильно выигрывают у клеточных культур, на них это смотреть очень легко. В клеточной культуре у тебя один тип клеток: условно говоря, либо возбуждающие нейроны, либо тормозящие. В органоиде все должно быть сбалансировано, в идеале. Например, если мы знаем, что патология связана с волнами активности, которые охватывают все нейроны, то такое поведение как раз очень легко наблюдать. 

— Чем органоиды лучше мышиного мозга? Гуманизированных мышей, любых других мышей?

— Два факта. Первый — генетический. Скажем, если мы говорим про какие-нибудь гены, связанные у человека с шизофренией, в мышах непонятно, как с ними работать — хорошей мышиной модели шизофрении в принципе нет. Второе, что связано с первым — это структура мозга мышей, которая может быть совершенно неадекватной для моделирования того, что нам интересно.

— А в органоидах модели шизофрении разве есть?

— Пока, насколько мне известно, нет. Хотя есть несколько исследований, которые уже говорят: «У нас уже есть что-то, похожее на модель». Я пока со скепсисом об этом говорю, но на самом деле не исключаю, что года через два она появится и это будет настоящий прорыв. Безусловно, цель использования органоидов в том числе в том, чтобы в конце концов мы научились моделировать и спектр шизофрении. Тогда появится возможность и разрабатывать терапию.

«В пробирке у тебя всего тела нет, поэтому нужно научиться его эмулировать»

— Все это пока выглядит как чистая исследовательская работа, но вы работаете в стартапе. В чем заключается его идея, как это вообще должно работать? Это какая-то форма персонализированной медицины?

— Все сильно зависит от того, насколько далеко мы смотрим вперед, потому что в идеале нам бы хотелось иметь возможность взять предрасположенность уже по генетической информации и заранее рекомендовать терапию. Боюсь, что в ближайшем будущем этого не случится — скорее всего, нам придется, не пытаться лечить, к примеру, просто болезнь Альцгеймера, а разбивать эту задачу на какие-то частные случаи и предполагать, что для людей, у которых наблюдается следующие генетические изменения и/или следующие отклонения в анализах, наше лекарство будет действовать.

Ты спрашивал о персонализированной медицине, но я думаю, что к сожалению, в рамках фармацевтики такого понятия сейчас просто не существует. Потому что что бы ты не делал, тебе нужно получить одобрение на каждый конкретный случай терапии, в точности описывая ее процедуру. Однако можно пойти немного другим путем и сказать: «Я не собираюсь лечить всех, я собираюсь лечить людей, у которых какие-то генетические изменения выглядят вот таким образом». Это позволяет решать эту глобальную задачу по кускам. Тоже персонализация, но явно не того масштаба, как рекомендации музыки или кино. 

— Вот, допустим, я прихожу к вам и говорю, что есть такая необходимость в каком-то лечении. Что при этом делается? Берутся мои клетки, как-то выращиваются из них органоиды, много органоидов. И что дальше? Что с чем сравнивается, что вы ищете, как появляются данные? Как все это будет устроено? 

— Во-первых, напрямую к нам прийти нельзя. Скорее мы будем работать с каким-то биобанком, который отбирает для нас людей, относящихся к определенной категории, где есть контрольная группа и группа имеющих определенное заболевание. Нам нужен какой-то исходный материал: клетки крови, или клетки кожи (фибробласты). Затем эти клетки нужно будет репрограммировать — потому что из клеток крови, конечно, нельзя сразу получить нейроны. Тебе нужно фактически откатить весь процесс дифференциации на начальную точку, где клетка еще «не знает», кем хочет быть, и из этой уже точки пройти весь путь до нейронов. В этом смысле для нас принципиально важным стало открытие механизма получения IPSC (индуцированных плюрипотентных стволовых клеток), это был такой решающий момент, после которого у нас появилась возможность из твоих собственных клеток получать что-то, более-менее похожее на твои собственные нейроны.

А дальше есть внутренний биобанк этих стволовых линий, довольно большой, и мы берем твою линию и выращиваем на ее основе, в соответствии с нашим протоколом, органоид. IPSC по определению — это клетки, из которых можно вырастить любой кусок твоего тела, любую клетку. Но ведь в пробирке у тебя всего тела нет, поэтому нужно научиться эмулировать эти внешние сигналы для того, чтобы получить правильный результат. Регулируя, подбирая эти сигналы на определенных точках развития, ты заставляешь клетки превращаться либо, например, в нейроны переднего мозга, среднего мозга, ромбовидного мозга. Можно пойти еще более детально, получить более специализированные нейроны — это делается, опять же, путем добавления определенных факторов в среду, которая кормит органоид. 

— И тут, на этом этапе, мы получаем для одного человека некий набор, целую панель разных органоидов? И что происходит дальше? 

— А дальше, как ты сказал, нужно что-то с чем-то сравнивать. И тут есть грандиозный выбор того, что с чем можно сравнивать.

Во-первых, можно сравнивать твои собственные органоиды сами с собой, выбивая или добавляя им определенные гены и наблюдая, что изменилось. Можно взять здорового человека, взять ген, про который мы точно знаем, что он ответственен за что-то критическое в нервной деятельности, выбить его, и посмотреть на изменения. Какое изменение искать, уже зависит от того, понятное дело, какой ген мы выбивали. Можно, например, посмотреть на активность работы генов с помощью секвенирования РНК. А можно и сразу смотреть на изменения электрической активности самих нейронов. Но это уже такой, далеко не всегда работающий вариант, потому что от выбитого гена до электрической активности очень длинный путь, и не всегда прыгнув сразу из начала в конец ты правильно поймешь, что именно произошло. 

Можно, например, посмотреть на изменение морфологии клеток, или на то, как меняется строение тканей. У нас, например, было исследование по туберозному склерозу: там в органоидах, понятно, должны появляться туберсы и я уже четко понимал, что именно нужно будет смотреть и искать в первую очередь. Мы прямо брали, разрезали органоиды и «натравливали» машинное обучение на поиск — чтобы оно смотрело на здоровые органоиды, «больные» органоиды (у которых выбит тестовый ген) и пытались понять, отличаются они друг от друга или нет. Да, оказывается, отличаются.

Во-вторых, есть другая ось сравнения — это разные пациенты. Тут, к сожалению, все менее радужно, потому что все сильно зависит от того, какой у тебя исходный материал. К большому сожалению, отличия здесь не только генетика определяет, но еще и многие другие изменения, которые накапливаются в процессе жизни. Мы их не можем до конца стереть в процессе репрограммирования клеток IPSC. Соответственно, здесь уже помогает только статистика. Тебе нужно, скажем, десяток здоровых, десяток больных, и ты проводишь сравнительный анализ между всеми органоидами и пытаешься понять, есть ли статистически значимое отличие между ними. Вот так это должно работать.

— Все это максимально похоже на академическую работу, когда ты ищешь эти отличия, которые сами по себе дают что-то совершенно новое для понимания болезни. Их можно исследовать и публиковать об этом статьи. А как это живет внутри стартапа? Что предполагается продавать?

— Наш конечный продукт — это именно лекарство. Это не означает, что ты сам производишь оберточки, упаковываешь таблетки и все остальное. Скорее наша первоочередная задача — обнаружить новую мишень лекарственного средства. Даже не само лекарство, а то, на что оно должно действовать и каким образом. Я бы очень хотел, чтобы область поиска мишени, в данном случае — механизма болезни, была финансово отделена от изобретения лекарств. Но, к сожалению, в современной ситуации ты не можешь просто сказать, что вот, я открыл мишень для лечения такой-то болезни поэтому заплатите мне за это. К сожалению, это так не работает: нужно еще и разработать действующее вещество, запатентовать его, пройти клинические испытания и потом, в течение некоторого, не очень большого срока, у тебя есть время чтобы его монетизировать.

— Это понятно. Ну то есть вы, в общем, как и большая фарма, нацелены именно на поиск лекарств и на старт каких-то клинических исследований? 

— Да.

«Сделайте хоть что-нибудь, что лучше, чем просто ничего»

— С какими болезнями вы работаете? На чем ваш главный фокус?

— У нас есть в портфолио две группы — это нейродегенетеративные болезни и болезни развития, neurodevelopment — опять же, я не уверен, что есть какой-то точный русский перевод. У нас главный упор в первой группе — это болезнь Альцгеймера, во второй группе синдром Ретта. Альцгеймер, я думаю, довольно известный, Ретт — это менее известная вещь, но тем не менее довольно ужасающая по своим последствиям.

— В области исследования болезни Альцгеймера довольно долго было все очень тихо, и вот буквально недавно произошла сенсация, если даже не скандал. Я говорю про одобрение первого целенаправленного лекарства против заболевания, разработанного компанией Biogen препарата адуканумаб. Результаты его исследований, скажем так, были не самыми убедительными, но препарат все-таки был одобрен, что вызвало бурю негодования со стороны многих фармэкспертов. На ваш взгляд, этот шаг, появление этого лекарства, — это скорее плюс или нет? 

— Очень хороший вопрос. Да, это очень спорное одобрение в целом, и критики этого решения было очень много. Но я скорее рассматриваю этот шаг как положительный. То есть можно подумать, что вот, у нас появился конкурент и прочее — но у меня очень позитивный взгляд на это. Потому что очевидно, что проблему этот препарат еще не решает, а общество пока только осознает ее масштаб. С каждым годом процент населения, который страдает от болезни Альцгеймера, все увеличивается, а с другой стороны большая фарма уже совсем не торопится соваться в Альцгеймер — просто потому, что они на этом просадили такое количество денег, не получив в результате ничего, что появился уже огромный скептицизм в принципе к разработке лекарства в этой области. Органоиды — это такое более новомодное течение, и я очень надеюсь, что оно изменит эту ситуацию, но в какой-то момент действительно было ощущение, что все хотят забросить это дело. И мне кажется, что частично одобрение адуканумаба это на самом деле такой политический шаг, который пытается вернуть корпорации к разработке, смысл которого очень простой: «сделайте хоть что-нибудь, что лучше, чем просто ничего».

— Этот скептицизм, это огромное количество впустую потраченных денег, как я понимаю, объясняются тем, что корпорации вкладывались в супер-дорогие клинические исследования, а тут приходите вы, и говорите, что с использованием органоидов все будет существенно дешевле. Такая идея?

— Я не думаю, что дело именно в этом. Люди, которые занимаются разработкой лекарств, умеют хорошо считать деньги и, если бы у них была возможность в доклинических исследованиях существенно увеличить свои шансы на успех, они бы это обязательно сделали: с помощью мышей, приматов, культур клеток, да чего угодно. Но до сих пор таких возможностей не то чтобы было много. Наш подход выигрывает не потому, что мы можем заменить клинические исследования — конечно, не можем — но по более адекватному воспроизведению биологии человека, которую дают органоиды. Это раз. Два — мы более точно, чем это было возможно раньше, можем повторить какие-то популяционные исследования и сделать их не на людях, а в пробирке. Выяснить, кому что может подойти в зависимости от его генетики. Масштабируемость платформы играет в этом большую роль.

— Вы сейчас находитесь именно на этапе анализа своей модели этой болезни, на поиске того, что отличает норму от патологии. Удалось ли что-то уже обнаружить, что позволяет сказать: да, мы создали «альцгеймер-в-пробирке» ?

— Я могу говорить далеко не все, пока это не опубликовано и не запатентовано. И вообще нам необходимо собрать большую статистику и точно убедиться в том, что это гарантированно не «псевдо-открытие», что нет ошибок, которые мы могли проглядеть. В науке, особенно у физиков, это, кстати, очень жестко устроено: ты ничего не можешь вытаскивать на свет до тех пор, пока вся коллаборация, а это иногда тысячи человек, не скажут что да, мы выходим и говорим об открытии. Но я аккуратно могу сказать, что у нас уже есть что-то очень интересное и в будущем нам будет чем поделиться.

«Думают ли органоиды об электроовцах?»

— Кстати, про физиков. До изучения органоидов ты, насколько я понимаю, занимался фундаментальной физикой, и у тебя же не было опыта в физиологии, не было опыта работы с реальными, живыми нейросетями. Зато был обширный опыт создания нейросетей компьютерных. Сейчас получается, что вы с коллегами фактически изучаете одни нейросети с помощью других. Что в итоге оказалось важнее для работы, какая экспертиза?

— Я исходно занимался математической физикой, моделями управления, решеточными моделями. Потом ушел в лабораторию «Яндекса», работавшую с ЦЕРН, занимался анализом данных коллайдера, разрабатывал для этого новые алгоритмы и утилиты. В это время я учился в ШАДе и именно эта история сильнее всего повлияла на то, чем я занимаюсь сейчас. Она проложила некоторый мостик между очень техническим и точным пониманием мира, свойственным физикам, и, скажем так, более жизненными задачами, где далеко не все точно и понятно.

В общем, если сравнивать, какой из опытов более релевантен для понимания биологических систем, я бы сказал, что именно работа с нейронными сетями или такими вещами, которые вроде как математические, но где в то же время все необходимо проверять на практике — вот именно это оказалось наиболее релевантно тому, что я делаю сейчас. Ведь нейросеть совершенно не обязательно ведет себя так, как ты задумывал и рассчитывал; на результат влияет большое число разных факторов, часто это воздействие плохо предсказуемо или меняется в зависимости от остальных параметров, а найти утверждение, справедливое в любом контексте, и вовсе невозможно.

— Вы выращиваете в пробирке человеческий мозг, пусть и крайне примитивный, редуцированный, и я не могу не задать такой, может быть «попсовый» вопрос: о чем они думают? Что мы об этом знаем? Можно ли, глядя на их активность, понять что-то про наше собственное мышление?

— Вы хотите спросить, думают ли органоиды об электроовцах? Окей. Мы действительно можем наблюдать их электрическую активность, но сказать, о чем они «думают» никакой возможности нет. Я вообще скептически отношусь к восприятию этой системы, как чего-то интеллектуального, потому что… Ну ок, органоиды умеют «стрелять» электрической активностью, у этой активности есть какие-то паттерны, можно наблюдать определенные волны этой активности, они тоже могут появляться, исчезать, как у нормального мозга. Глядя на них кто-то говорит, что, типа: «в принципе, да, активность похожа».

Но я не воспринимаю их в качестве думающей субстанции по очень простой причине: у них ведь нет никакой возможности прочувствовать внешний мир. То есть, если бы мы хотя бы какие-то рецепторы добавили, можно было бы подумать на тему того, как они окружающий мир начинают воспринимать. А так, это какая-то вещь в себе. Ну и, как я уже говорил, это не весь мозг, это какой-то кусочек. Представь, что кусочек твоей коры вытащили каким-то образом и сохранили в пробирке в живом состоянии. Он думает? Он что-то представляет? Ответ на этот вопрос действительно зависит от того, что именно он воспринимает, есть ли какой-то информационный вход для него.

Мы этим не занимаемся, но, существуют разработки и в сторону того, чтобы делать органоиды с контролируемым «входным сигналом», у которых активность отдельных нейронов управляются лазером. Но это отдельная тема. Мы ее пока не касаемся, но как раз интересно было бы посмотреть на то, можем ли мы заставить органоид делать что-то большее. Потому что с помощью светочувствительности мы довольно просто сможем контролировать поступающую информацию и таким образом появляется, фактически, какая-то параллель с обучением нейронной сети, но в пробирке. Это было бы интересно, и, мне кажется, что в какой-то момент область к этому придет. У нас появятся даже какие-нибудь бенчмарки, типа IQ-тесты органоидов.

— Боюсь, что ровно в этот момент к вам сразу же придут регуляторы и скажут, что нет, ваши мини-мозги вы можете выращивать только до такого-то уровня развития, а дальше — ни-ни.

— Выращиваем до IQ=20 и ни единицей больше. Да, похоже на то, что именно так это и может выглядеть.